Пластмаси, як матеріал для будівельних конструкцій. Основні види конструкційних пластмас і області їх застосування

 

Пластичними масами (або пластмасами) називають матеріали, які в якості основного компонента містять синтетичний полімер.

Полімери - це високомолекулярні сполуки, що складаються з гігантських молекул лінійної, розгалуженої або тривимірної сітчастої структури (просторові гратки).

У більшості випадків ці молекули містять структурні елементарні ланки (групи атомів), які багаторазово повторюються і з'єднані силами хімічних зв'язків.

Отримують полімери з вихідних низькомолекулярних органічних речовин (мономерів), окремі молекули яких завдяки подвійним або потрійним зв'язкам здатні з'єднуватися між собою з утворенням багаторазово збільшеної молекулярної маси, тобто полімеру.

Назва полімеру утворюється зазвичай від назви того мономеру, з якого він був отриманий. Так, наприклад, поліетилен отримують з етилену, полівінілхлорид-з вінілхлориду, полістирол-з стиролу і т.д.

Іноді назва полімеру утворюється в залежності від виду реакційно-хімічних груп, що з'єднують молекули мономерів - поліаміди, поліефіри і т.д.

В основі технологій синтезу високомолекулярних сполук лежать два основні методи отримання полімерів - полімеризація і поліконденсація, що розрізняються як за механізмом реакції, так і за будовою створених полімерів.

Полімеризація - це ланцюговий процес з'єднання великого числа молекул одної речовини в одну велику макромолекулу. Цей процес протікає зазвичай при певній температурі і тиску без виділення будь-яких низькомолекулярних речовин. При полімеризації хімічний склад полімеру відповідає хімічному складу вихідного мономеру.

Поліконденсація - це хімічний процес отримання полімерів з мономерів різних вихідних речовин, що супроводжується виділенням побічних продуктів (води, спирту та ін).

Поліконденсацією отримують фенолоформальдегідні, сечовиноформальдегідні смоли, поліаміди, поліефіри та інші полімери.

Крім процесів полімеризації і поліконденсації, застосовують ще досить перспективний процес співполімеризації, який полягає в сумісній полімеризації двох або більше різних за хімічним складом мономерів; такі реакції в результаті дають сополімери, які володіють новими властивостями, що відрізняються від властивостей полімерів на основі кожного вихідного мономеру. Встановлено, що сополімери володіють більш цінними властивостями, ніж полімери, отримані з тих же мономерів. Підбором мономерів з різними властивостями можна широко змінювати фізико-механічні властивості полімеру.

Найчастіше полімери знаходяться в аморфному склоподібного стані і носять назви синтетичних смол (фенолоформальдегідні, сечовиноформальдегідні, поліефірні та ін.) Деякі полімери, однак, мають здатність до кристалізації і не є смолами (наприклад, нейлон, целюлоза та її похідні).

Синтетичні смоли в залежності від впливу на них температури діляться на дві групи:

Термопластичні (оборотні) смоли при нагріванні розм'якшуються і стають пластичними, а при охоложденні знову тверднуть. Такий процес може повторюватися, не вносячи зміни в хімічні властивості смоли. До термопластичних смол відноситься поліетилен, полістирол, поліамід, поліорітан і ряд інших.

Термореактивні (незворотні) смоли, будучи відформовані в процесі виготовлення, переходять у неплавкий нерозчинний стан і знову формуватися вже не можуть. Інакше кажучи, термореактивні смоли переходять з в'язко-текучого в твердий стан тільки один раз.

До таких матеріалів відноситься фенолоформальдегідні, поліефірні, епоксидні смоли та інші.

Пластмаси переважно представляють багатокомпонентні суміші.

Компонентами пластмас являються:

1. Вяжучі речовини - це основний (а іноді і єдиний) компонент пластмас.

Зазвичай вяжучим є синтетичні смоли, хоча можуть використовуватися й вяжучі природні речовини, наприклад, ефіри целюлози, природні смоли.

2. Наповнювачі - компоненти, що вводяться у пластмаси з метою поліпшення їх механічних і технологічних властивостей - підвищення теплостійкості, зниження вартості. Наповнювачі бувають неорганічного й органічного походження і вводяться в матеріал у вигляді порошків, волокон або аркушів (деревне борошно, цемент, скляні та азбестові волокна, папір, бавовняні і скляні тканини і т.д)

3. Модифікуючі добавки. При формуванні полімеру (вяжучого) застосовуються обов'язкові добавки для твердіння. Крім цього можуть застосовуватися прискорювачі (речовини, що прискорюють затвердіння), каталізатори (речовини, що не беруть участі в твердінні, але присутність яких необхідна для протікання процесу затвердіння), пластифікатори (речовини, що зменшують крихкість готового матеріалу), інгібітори (речовини, що уповільнюють процес затвердіння) та інші добавки.

4. Барвники. Забарвлення пластмас здійснюється шляхом введення барвників у масу матеріалу. Потрібнийрисунок і колір можуть бути так само отримані, якщо вони попередньо нанесені на зовнішній шар листового наповнювача (папір, тканина).

5. Пороутворювачі - це добавки, що застосовуються для отримання газонаповнених матеріалів-пінопластів.

 

Класифікація пластмас.

Залежно від виду смол під впливом на них температури, пластмаси поділяються на два види: а) термопластичні пластмаси (або термопласти) на основі термопластичних смол; б) термореактивні (реапласти) на основі термореактивних смол.

Термопластичні пластмаси зазвичай називаються по вяжучій речовині, виходячи з найменування мономеру з додаванням приставки «полі-» (полівінілхлорид, поліетилен, полістирол та ін)

Термореактивні - за видом наповнювача (склопластики, деревні пластики та ін)

В залежності від структури пластмаси можна розділити на дві основні групи:

1) пластмаси без наповнювача (не наповнені);

2) пластмаси з наповнювачем (наповнені).

Застосування пластмас як матеріалу для будівельних конструкцій пояснюється низкою переваг цього матеріалу:

- високою міцністю, що становить для більшості пластмас (крім пінопластів) 50-100 НПа, а для деяких склопластиків міцність досягає 1000 НПа;

- малою об'ємною масою, в межах від 20 (для пінопластів) до 2000 кг \ м3 (для склопластиків);

- стійкістю до впливу хімічно агресивних середовищ;

- біостійкістю (не піддається гниттю);

- простотою формоутворення і легкою обробкою;

- високими електроізоляційними властивостями;

Разом з тим пластмаси мають і недоліки, такі, наприклад, як деформативність, повзучість і зниження міцності при тривалих навантаженнях, старіння (погіршення експлуатаційних властивостей у часі), горючість, використання в якості сировини дефіцитних нафтопродуктів.

Вплив недоліків пластмас можна зменшити різними шляхами. Так, зменшення деформативності досягають застосуванням раціональних форм поперечного перерізу конструкцій (тришарові, трубчасті).

Горючість і старіння можна зменшити шляхом введення спеціальних добавок.

 

Основні види конструкційних пластмас і області їх застосування.

 

До пластмас, які застосувують в будівельних конструкціях, відносяться склопластики, оргскло, вініпласт, поліетилен, тепло-та звукоізоляційні матеріали, деревні пластики.

 

Склопластики.

Склопластики представляють собою матеріали, що складаються з скловолокнистого наповнювача й вяжучого.

В якості вяжучого зазвичай використовуються термореактивні смоли (поліефірна, епоксидна, фенолоформальдегідна). Скляне волокно є армуючим елементом, міцність якого досягає 1000-2000 МПа. Основою скловолокна є елементарні волокна.

Елементарні волокна (первинні нитки) отримують з розплавленої скляної маси, витягаючи її через невеликі отвори-фільєри; елементарні волокна (близько 200) діаметром 6-20 мкм об'єднують у нитки, а декілька десятків ниток - в джгути (кручені нитки).

У склопластиках, що застосовуються в будівництві, використовують наступні скловолокнисті наповнювачі:

а) прямолінійні безперервні волокна, що вводяться у вигляді джгутів, ниток або елементарних волокон.

 

Схема отримання безперервного скловолокна.

 

б) рубане скловолокно у вигляді хаотично розташованих відрізків довжиною приблизно 50 мм.

Механічні властивості склопластиків залежать від виду скловолокнистого наповнювача. Найбільш високими механічними властивостями володіють склопластики, армовані безперервним прямолінійним скловолокном. У напрямку волокон їх міцність досягає 1000 МПа при розтягу, а модуль пружності до 40000 МПа, однак, у поперечному напрямку міцність склопластиків не велика (приблизно в 10 разів менша).

Всі склопластики, армовані в одному або в двох взаємоперпендикулярних напрямках, є матеріалами анізотропними.

Склопластики, армовані рубаним скловолокном, є ізотропним матеріалами.

 

Види склопластиків:

1) Прес - матеріали типу СВАМ (скловолокнистий анізотропний прес-матеріал) є одним з перших високоміцних склопластиків, отриманих шляхом пресування склошпонів (шпон з однонаправленого скловолокна).

Отримують його таким чином: після намотування певного числа шарів просоченої нитки односпрямований матеріал зрізають. У розгортці він являє собою квадратний аркуш розміром 3х3 м². Потім повертають лист на 90 градусів і знову намотують шар ниток. Таким чином, виходить склошпон з взаємно-перпендикулярним розташуванням волокон. Межа міцності СВАМ при розтягу і стиску становить 400-500 МПа, а при згині, приблизно, 700 МПа.